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2011 年度 実績報告書

呼吸酵素における、酸素還元と一酸化窒素還元の機能変換と分子進化

研究課題

研究課題/領域番号 21245041
研究機関独立行政法人理化学研究所

研究代表者

城 宜嗣  独立行政法人理化学研究所, 城生体金属科学研究室, 主任研究員 (70183051)

キーワード一酸化窒素還元酵素 / 亜酸化窒素 / 脱窒 / 呼吸酵素 / チトクロム酸化酵素 / X線結晶構造解析 / 温室効果ガス / オゾン層破壊
研究概要

昨年の緑膿菌、Pseudomonas aeruginosaに引き続き、好熱性細菌(Geobacillus stearothermophilus)がもつ一酸化窒素還元酵素NORの構造解析に成功した。NORは、微生物の嫌気呼吸のキー酵素であり、一酸化窒素NOを還元して亜酸化窒素N_2Oに変換する(2NO+2H^++2e^-→N_2O+H_2O)。反応物NOが大気汚染気体NOxの一種であり非常に細胞毒性が強いこと、生成物N_2Oが二酸化炭素CO_2の約310倍の温室効果があり、なおかつオゾン層を破壊する気体であることから、環境科学の側面からも注目されている酵素である。病原菌もNORを有し、感染先のマクロファージが産生するNOを無毒化している。さらに、NORは好気呼吸の鍵酵素であるチトクロム酸化酵素と、共通の祖先を有していると考えられており、呼吸酵素の分子進化を考える上でも重要な酵素である。
サブユニットの組成(cNORはヘテロ二量体、qNORは単量体)と電子供与体(cNORはc型ヘム、qNORはキノール)であるにもかかわらず、その全体構造は両NORで類似であった。しかし、触媒反応に用いられるプロトンの輸送経路は全く異なっていた。cNORでは、細胞外領域(cytoplasmic side)から活性中心に向かってプロトン輸送チャネルが認められたのに対し、qNORでは、細胞内領域からの水チャネルが発見された。qNOR構造におけるこの発見は、今までcNORの実験からの予想とは全く異なるものであり、呼吸酵素の分子進化を議論する上で、重要な発見である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の計画では、NORと共に、微好気呼吸酵素の結晶構造解析を計画していたが、ドイツのグループが2009年度にその構造を報告した。しかし、本申請者も予想外に2つのNORの構造を明らかに出来たので、反応機構解析と分子進化の議論は予定通りに進んでいる。

今後の研究の推進方策

cNORとqNORの2つのNORについて、結晶解析と分光解析によって各種配位子結合型や各種酸化型の構造情報を得る。加えて、NORの構造を基盤にして、分子動力学シミュレーションによるプロトンチャネルの働きの検証を行う。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (4件)

  • [雑誌論文] Crystal Structure of Quinol-Dependent Nitric Oxide Reductase from Geobacillus stearithermophilus2012

    • 著者名/発表者名
      Y.Matsumoto, T.Tosha, A.V.Pisliakov, T.Hino, H.Sugimoto, S.Nagano, Y.Sugita, Y.Shiro
    • 雑誌名

      Nat.Strl.Mol.Biol.

      巻: 19 ページ: 238-245

    • DOI

      10.1038/nsmb.2213

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystal Structure of Carbonmonoxide Complex of Human Cytoglobin2011

    • 著者名/発表者名
      M. Makino, H. Sawai, Y. Shiro, H. Sugimoto
    • 雑誌名

      PROTEINS

      巻: 79 ページ: 1143-1153

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Application of Micro-reactor Chip Technique for Millisecond Quenching of Deuterium Incorporation into 70S Ribosomal Protein Complex2011

    • 著者名/発表者名
      T.Yamamoto, Y.Shimizu, T.Ueda, Y.Shiro, M.Suematsu
    • 雑誌名

      Intl.J.Mass Spectrometry

      巻: 302 ページ: 132-138

    • DOI

      10.1016/j.ijms.2010.08.029

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Oxygen Binding and Redox Properties of the Heme in Soluble Guanylate Cyclase : Implications for the Mechanism of Ligand Discrimination2011

    • 著者名/発表者名
      R.Makino, S.-Y.Park, E.Obayashi, T.Iizuka, H.Hori, Y.Shiro
    • 雑誌名

      J.Biol.Chem.

      巻: 286 ページ: 15678-15687

    • DOI

      10.1074/jbc.M110.177576

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystal Structure of H_2O_2-dependent Cytochrome P450_<SPα> with Its Bound Fatty Acid Substrate : Insight into the Regioselective Hydroxylation of Fatty Acids at the a Position2011

    • 著者名/発表者名
      T.Fujishiro, O.Shoji, S.Nagano H.Sugimoto, Y.Shiro, Y.Watanabe
    • 雑誌名

      J.Biol.Chem.

      巻: 286 ページ: 29941-29950

    • DOI

      10.1074/jbc.M111.245225

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 一酸化窒素還元酵素NOR-呼吸酵素の分子進化と温室効果ガスの産生メカニズム-2011

    • 著者名/発表者名
      日野智也、城宜嗣
    • 雑誌名

      化学

      巻: 66 ページ: 30-35

  • [学会発表] Iron in Biology2011

    • 著者名/発表者名
      Shiro, Y.
    • 学会等名
      RIKEN-University of Liverpool Joint Symposium
    • 発表場所
      Liverpool, UK(招待講演)
    • 年月日
      2011-09-15
  • [学会発表] Molecular Structures and Mechanism of Bacterial Nitric Oxide Reductase2011

    • 著者名/発表者名
      Shiro, Y.
    • 学会等名
      15th International Conference of Biological Inorganic Chemistry
    • 発表場所
      Vancouver, Canada(招待講演)
    • 年月日
      2011-08-09
  • [学会発表] Molecular Structures and Mechanism of Bacterial Nitric Oxide Reductase2011

    • 著者名/発表者名
      Shiro, Y.
    • 学会等名
      Mini-symposium on "Proton Transport across Biological Membranes" of the Royal Swedish Academy of Sciences
    • 発表場所
      Stockholm, Sweden(招待講演)
    • 年月日
      2011-06-14
  • [学会発表] Structural Basis for Nitrous Oxide Generation by Bacterial Nitric Oxide Reductases2011

    • 著者名/発表者名
      Shiro, Y.
    • 学会等名
      Royal Society Theo Murphy Meeting
    • 発表場所
      Buckinghamshire, UK(招待講演)
    • 年月日
      2011-05-24

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公開日: 2013-06-26  

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